扁平足畸形矫正的生物力学机制研究

The internal skeletal abnormalities for flatfoot, especially the medial longitudinal arch collapse will squeeze the plantar blood vessels to affect the function of microcirculation. This will decrease metabolic function of ligament and tendon to change the muscular function. Researches have indicated that the tissue dysfunction caused plantar pain, inflammation and other complications associated with the soft tissue dysfunction. However, the Biomechanical behavior of soft tissue such as blood vessel and muscular function are unclear. This study focuses on the following by two scientific questions: 1) Blood flow velocity and muscle oxygenation of the heel, longitudinal arch, metatarsal and forefoot regions will be investigated during the support phase of flatfoot gait; 2) The effect of orthopedic insoles on pressure distribution of vascular surface will be carried out during the orthopedic flatfoot rehabilitation. Therefore, this study based on the above questions will use the Color Doppler Ultrasound, near infrared spectrum measurement technique and the vascular-foot-insole finite element to obtain the biomechanical behavior and mechanical characteristics of the internal soft tissue such as vascular and muscular function. morphology. This will explore the pathogenesis of flatfoot pathology and cause of the related complications from the function behavior of soft tissue, which provides the theoretical and technical support for future orthopedic rehabilitation and helps optimize the design of orthopedic shoes or orthopedic insoles.

扁平足内部骨骼形变异常,特别是内侧纵弓塌陷,会压迫足底血管导致血液循环功能异常，降低了足内韧带肌腱的代谢功能，进而影响足部肌肉功能。研究表明，扁平足足部并发症如足底疼痛、炎症等与足部软组织功能异常存在相关性。但其软组织如血管、肌功能的生物力学机制尚不清楚。本项目围绕以下两个科学问题展开：1）扁平足步态支撑相期，足跟、足弓、跖骨和前足区域的血流速度及肌氧含量的变化规律；2）扁平足康复过程中，矫形鞋垫对足内血管表面的压力分布情况。基于此科学问题，本项目拟采用彩色多普勒超声技术、近红外线光谱测量技术和足部血管-内部组织-鞋垫耦合的有限元模型，分析扁平足不同步态相和不同矫形时期，足部软组织如血管、肌功能的生物力学特点及内部组织力学环境的变化规律。本项目的执行可从足部软组织的功能性特征，探索扁平足的病理机制及并发症的发病原因，为进一步康复提供理论指导；而且有助于矫形鞋或矫形鞋垫的优化设计。

扁平足内部骨骼形变异常,特别是内侧纵弓塌陷,会出现骨骼异常移动、足底压力分布不均、压迫血管导致血液循环功能异常等问题，进而影响足部步态、运动等整体功能的发挥。本项目通过医学影像、统计分析、实验测量等研究方法，首先建立鞋垫-血管-足的有限元模型，模拟分析了扁平足在矫治过程中，不同鞋垫高度对足底压力、足部血管的压迫情况；同时，针对矫形鞋垫的结构和材料属性差异性，通过足底压力测试系统、3D打印技术等方法，开展不同鞋垫结构对扁平足足底压力、足部疼痛区域的影响等研究工作；通过扫描电镜、高精密微型试验机、硬度仪等设备，开展国内外矫形鞋垫表面结构差异性的研究；通过统计分析、直观评分量表、X光片等方法，开展扁平足矫形前后足弓高度、跟骨偏角和足底主要疼痛区域的探索研究。结果发现，随着鞋垫材料硬度的增加，足底压力逐渐增加，且峰值压力集中在外侧纵弓区域，当足底血管压力达到0.051MPa时，血管压力出现了拐点，这可能是血管发生溃疡风险的压力值，压力峰值出现在第三跖背动脉和弓状动脉处。此外，鞋垫材料硬度的增加，可有效的提高足弓高度，但压力峰值相应的增加1.01-1.29倍。与国内材料硬度范围大多集中在30°左右、表面颗粒较大、致密性和连续性较差相比，国外鞋垫材料的硬度梯度范围在20～40°，且材料表面致密性连续性较好，使用寿命和效果更明显。使用矫形鞋垫后，跟骨偏角外翻角度明显降低，足弓高度也显著改善，可有效的降低第二跖骨区域的疼痛指标。为扁平足的康复提供理论指导，可有效促进矫形鞋垫的优化设计。